Fluida Statis, Tekanan Hidrostatis, Hukum Pascal, Archimedes, Rumus dan Contoh Soal

Pada kesempatan akli ini saya akan membahas secara rinci tentang Fluida Statis. Berikut adalah daftar isi materi yang akan saya bahas pada kesempapatan kali ini.

Fluida Statis-Hukum Pascal

Daftar Isi Artikel
Pendahuluan : Apa Itu Fluida Statis

A. Tekanan dan Tekanan Hidrostatis

• Contoh Soal Tekanan
• Hubungan Tekanan Hidrostatis dan Kedalaman
• Tekanan Total atau Tekanan Mutlak
• Contoh Soal Tekanan Hidrostatis

B. Prinsip dan Rumus Hukum Pascal

• Contoh Soal Hukum Pascal
• Penerapan Hukum Pascal

C. Prinsip dan Rukus Hukum Archimedes

• Rumus Hukum Archimedes
• Prinsip Hukum Archimedes Untuk benda Mengapung, Melayang dan Tenggelam
• Penerapan Hukum Archimedes
• Contoh Soal Hukum Archimedes

Rangkuman Materi Fluida Statis Lengkap dengan Contoh Soal

Apa Itu Fluida Statis

Fluida adalah suatu zat yang dapat mengalir. Zat cair dan gas (seperti air dan udara) merupakan fluida karena zat ini dapat mengalir. Sedangkan zat padat seperti besi dan batu tidak termaksud ke dalam fluida. Karena zat tersebut keras, kaku dan tidak dapat mengalir. Suatu fluida dapat memberikan tekanan, hal ini dapat Anda buktikan dengan cara mengisi air ke dalam sebuah botol minuman atau tabung plastik. Setelah terisi penuh oleh air kemudian Anda beri lubang pada sisi botol atau tabung tersebut, maka akan tampak air yang keluar dari lubang tersebut. Air tersebut dapat keluar karena air memberikan tekanan pada lubang tersebut.

Contoh lainnya yang dapat membuktikan fluida dapat memberikan tekanan adalah ketika Anda membuka katup penutup ban sepeda Anda, maka yang Anda rasakan adalah udara yang berada di dalam ban akan terdorong keluar melalui lubang tersebut. Udara adalah salah satu jenis fluida, maka dapat dibuktikan bahwa suatu fluida dapat memberikan tekanan. Tekanan apa saja yang akan diberikan oleh fluida dan hukum apa saja yang dapat berlaku, pada kesempatan kali ini saya akan membahasnya.

A. Tekanan Hidrostatis

Perhatikanlah mengapa semakin dalam kita menyelam maka kita merasa tubuh kita semakin ditekan oleh air? Karena semakin dalam anda menyelam, maka tekanan dalam fluida akan semakin besar, tekanan itu disebut sebagai “Tekanan Hidrostatis”. Tekanan Hidrostatis adalah tekanan yang diakibatkan oleh gaya yang menekan suatu benda dalam zat cair terhadap suatu luasan bidang tekan pada kedalaman tertentu. Benda yang tenggelam pada suatu zat cair maka akan mendapatkan gaya tekan yang diberikan oleh fluida dan gaya ini selalu tegak lurus terhadap permukaan benda. Secara matematis tekanan didefinisikan sebagai berikut:

P = F/A

Keterangan :

P adalah Tekanan (N/m^2  atau Pa)

F adalah Gaya Tekan (N)

A adalah luas permukaan benda (m^2)

Berdasarkan persamaan di atas, tekanan berbanding lurus dengan gaya artinya semakin besar gaya yang diberikan pada sebuah benda maka tekanan yang di rasakan oleh benda tersebut akan semakin besar sebaliknya jika gaya yang diberikan kecil maka tekanannya pun akan kecil. Kemudian tekanan berbanding terbalik dengan luas penampang/permukaan benda, artinya semakin kecil luas penampang maka tekanan akan semakin besar dan semakin besar luas penampang maka tekanan yang diberikan akan kecil.

Contohnya, sebuah pisau memiliki bagian tumpul dan tajam. Bagian pisau yang tajam akan memberikan tekanan yang lebih besar dibandingkan dengan bagian tumpul. Hal ini dikarenakan bagian tajam memiliki luas penampang yang kecil dan tipis sedangkan bagian tumpul memiliki luas penampang yang besar dan tebal. Ha ini dapat dibuktikan. Anda akan mudah sekali mengiris menggunakan bagian tajam dari pada bagian tumpul.

Dalam satuan Internasional besaran gaya dinyatakan dalam satuan Newton (N) dan luas dalam satuan m^2 sehingga satuan tekanan adalah N/m^2 yang dikenal dengan nama Pascal atau disingkat Pa.

1 Pa = 1 N/m^2

Contoh Soal Tekanan

Dani yang bermassa 60 Kg memiliki luas kedua kakinya adalah 500 cm^2. Hitunglah besar tekan yang diberikan Dani pada lantai ketika ia berdiri dengan dua kaki dan ketika ia berdiri dengan satu kaki? Gunakan g = 10 m/s^2.

Solusi:

Diketahui:

m = 60 Kg

A (dua kaki) = 500 cm^2 = 0,05 m^2

g = 10 m/s^2

Ditanya :

#Besar tekanan jika Dani Berdiri dengan 2 kaki

Gunakan Rumus Tekanan

P = F/A

Dimana F = m.g = 60 (10) = 600 N, Maka diperoleh

P = 600/0,05 = 12 .10^3 Pa = 12 kPa

#Besar tekanan jika Dani berdiri dengan satu kaki

Luas permukaan dua kaki adalah 500 cm^2, maka luas permukaan satu kaki adalah setengahnya yaitu 250 cm^2 atau 0,025 m^2. Maka diperoleh tekanan adalah

P = F/A

P = 600/0,025 = 24 . 10^3 Pa = 24 kPa

Dari contoh ini dapat disimpulakan semaki kecil luas penampang, maka semakin besar tekanan yang diberikan.

Hubungan Tekanan Hidrostatis dan Kedalaman

Perhatikan gambar berikut ini adalah ilustrasi sebuah benda yang dicelupkan pada suatu fluida dalam sebuah bejana berbentuk tabung.

Ketarangan:

Ph adalah tekanan Hidrostatis (N/m2 atau Pa)

F adalah gaya tekan fluida (N)

A adalah luas permukaan benda (m^2)

m adalah massa fluida (kg)

g adalah percepatan gravitasi (m/s^2)

ρ adalah massa jenis fluida (Kg/m^3)

V adalah Volume fluida (Kg/m^3)

h adalah kedalaman yang diukur dari permukaan fluida (m)

Perhatikan, rumus di atas tekan hidrostatis hanya bergantung pada massa jenis fluida, percepatan gravitasi dan kedalaman dan tidak bergantung pada bentuk tabung. Jadi tekanan hidrostatis pada setiap titik dengan ke dalam yang sama (dalam satu garis horizontal) memiliki nilai tekanan yang sama besar.

Tekanan Total atau Tekanan Mutlak

Jika kita memperhitungkan tekanan udara luar pada permukaan zat cair, maka besar tekanan total yang dirasakan di oleh suatu benda di dalam suatu zat cair adalah penjumlahan antara besar tekanan udara luar dan tekanan hidrostatis pada kedalamam tertentu

Keterangan
P(total) adalah tekanan total atau tekanan mutlak (N/m^2)
Po adalah tekanan udara luar di atas permukaan zat cair (N/m^2)
ρf adalah massa jenis zat cair (Kg/m^3)
g adalah percepatan gravitasi (m/s^2)

h adalah kedalaman yang diukur dari permukaan zat cair (m)

Kumpulan Contoh Soal Tekanan Hidrostatsi

Contoh 1 : Soal Tekanan Hidrostatis

Di dalam tabung gelas terdapat minyak setinggi 20 cm. Dengan mengabaikan tekanan udara, tekanan yang terjadi pada dasar tabung adalah 1600 N/m^2. Jika g = 10 m/s^2 maka massa jenis minyak tersebut adalah?

Pembahasan:

Diketahui:

h = 20 cm = 0,2 m

P = 1600 N/m^2

g = 10 m/s^2

Ditanya : Massa jenis minyak adalah ?

Jawab :

Gunakan Rumus Tekanan Hidrostatis

Jadi, massa jenis minyak adalah 800 Kg/m^3 atau 0,8 g/cm^3

Contoh 2 : Soal Tekanan Hidrostatis

Raksa pada bejana berhubungan memiliki selisih permukaan 2 cm (Massa jenis raksa = 13,6 g/cm^3).

Kaki sebelah kiri berisi zat cair setinggi 25 cm. Tentukanlah massa jenis zat cair tersebut?

Pembahasan :

Diketahui:

h1 = 2 cm (tinggi air raksa)

h2 = 25 cm (Tinggi zat cair)

ρ(raksa) = 13,6 g/cm^3

Kita tidak perlu mengubah satuan h1 dan h2 ke dalam meter, karena satuan panjang h1 dan h2 dengan satuan panjang yang digunakan pada massa jenis telah sama, yaitu cm.

Ditanya : Tentukanlah massa jenis zat cair tersebut?

Jawab :

Ingat : tekanan hidrostatis pada setiap titik dengan ke dalam yang sama (dalam satu garis horizontal) memiliki nilai tekanan yang sama besar. Jadi tekanan pada titik P1 (Raksa) sama dengan tekanan pada titik P2 (Zat cair X), maka diperoleh

Jadi, besar massa jenis zat cair tersebut adalah 1,8 g/cm^3.

Contoh 3 : Soal Tekanan Hidrostatis

Sebuah tabung berbentuk U di isi dengan minyak dan air, seperti pada gambar di bawah ini. Diketahui minyak dan air tidak menyatu (karena perbedaan massa jenis). Jika massa jenis minyak adalah 0,8 g/m^3 dan massa jenis air adalah 1 g/m^3. Tentukanlah tinggi minyak jika diketahui tinggi air adalah 15 cm?

Solusi:

Diketahui:

ha = 15 cm (Tinggi air)

ρ(air) = 1 g/cm^3

ρ(minyak) = 0,8 g/cm^3

Ditanya : ketinggian minyak (hm) = ... ?

Ingat : tekanan hidrostatis pada setiap titik dengan ke dalam yang sama (dalam satu garis horizontal) memiliki nilai tekanan yang sama besar. Jadi tekanan pada titik A sama dengan tekanan pada titik B, maka diperoleh

Jadi, tinggi minyak adalah 18,75 cm

Baca Juga : Contoh Soal Tekanan Hidrostatis dan Pembahasan Lengkap

B. Prinsip dan Rumus Hukum Pascal

Hukum Paskal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada suatu fluida akan di teruskan ke segala arah dengan besar yang sama.

Contohnya adalah pada sebuah dongkrak hidrolik seperti pada gambar di atas yang berbentuk seperti pipa U dengan ukuran luas permukaan berbeda A1 dan A2. Pada A2 diletakkan sebuah benda bermassa M. Ketika sebuah tekanan P1 pada pipa kecil oleh sebuah gaya tekan F1 yang diberikan pada luas permukaan A1 (dalam ruang tertutup). Maka tekanan P1 akan menyebar ke segalah arah dengan sama besar. Sehingga tekanan P1 akan sama dengan tekanan P2. Dimana tekanan pada P2 disebabkan oleh sebuah gaya angkat F2 pada luas permukaan A2. Secara matematis di tuliskan

Keterangan :

P1 adalah tekanan pada pipa 1

P2 adalah tekanan pada pipa 2

F1 adalah gaya yang berikan pada pipa 1

F2 adalah gaya yang dihasilkan pada pipa 2

A1 adalah Luas Penampang 1

A2 adalah Luas penampang 2

Coba perhatikan kembali gambar di atas. Karena sistem dongkrak hidrolik pada sistem terisolasi (tertutup) maka tidak ada cairan lain yang dapat keluar atau masuk ke dalam pipa tersebut. Maka volume cairan pada pipa A1 akan mengakan benda bermassa M pada pipa A2. Karena piston pada sebelah kiri bergerak sejauh ∆x1 dan piston sebelah kanan bergerak sejauh ∆x2, maka dengan Hukum Pascal diperoleh

Jika dongkrak hidrolik atau pipa U berbentuk tabung maka luas permukaan tabung berbentuk lingkaran adalah

Kumpulan Contoh Soal Hukum Pascal

Contoh 1 : Soal Hukum Pascal

Sebuah alat pengangkat mobil (dongkrak hidrolik) terdiri dari dua tabung berukuran kecil dan besar. Pada tabung besar yang berdiameter 36 cm diletakkan sebuah mobil bermassa 2,5 ton. Jika diketahui diameter tabung kecil adalah 6 cm dan percepatan gravitasi di tempat tersebut adalah 10 m/s^2. Tentukanlah gaya minimal yang diberikan agar mobil tersebut dapat terangkat ke atas?

Pembahasan:

Diketahui:

M2 = 2,5 ton = 2500 Kg

d1 = 6 cm

d2 = 36 cm

g = 10 m/s^2

Ditanya : Tentukanlah gaya minimal (F1) yang diberikan agar mobil tersebut dapat terangkat ke atas ?

Gunaan Rumus Hukum Pascal

Karena d1 dan d2 adalah perbandingan maka kita tidak perlu mengubah satuan diameter (cm) ke satuan SI (satuan meter), maka diperoleh

Jadi, besar gaya minimal (F1) yang diberikan agar mobil tersebut dapat terangkat ke atas adalah 694,44 N

Contoh 2 : Soal Hukum Pascal

Sebuah dongkrak hidrolik memiliki jari-jari kecil 1 cm dan jari-jari besar adalah 6 cm. Jika gaya tekan sebesar 100 N diberikan kepada pipa kecil. Maka tentukan berapa besar gaya angkat yang di hasilkan pada pipa besar?

Pembahasan:

Diketahui:

F1 = 100 N

g = 10 m/s^2

r1 = 1 cm

r2 = 6 cm

Karena r1 dan r2 adalah perbandingan maka kita tidak perlu mengubah satuan jari-jari (cm) ke satuan SI (satuan meter)

Ditanya : Tentukan berapa besar gaya angkat yang di hasilkan pada pipa besar?

Gunaan Rumus Hukum Pascal

Jadi, besar gaya angkat yang di hasilkan pada pipa besar 3600 N

PENERAPAN HUKUM PASCAL

Hukum Pascal dapat digunakan untuk membantu memudahkan pekerjaan manusia terutama dalam bidang industri. Salah satu contoh pemanfaatan hukum Pascal yang paling sederhana adalah dongkrak Hidrolik. Coba bayangkan berapa besar gaya yang kita gunakan untuk mengangkat benda bermassa 1000 Kg. Ingat gaya berat W = mg. Maka besar gaya minimal untuk mengangkat benda ini adalah 10.000 N. Tentunya itu adalah gaya yang cukup besar. Namun dengan prinsip Hukum Pascal pada dongkrak Hidrolik kita dapat mengangkat benda tersebut walaupun dengan gaya yang kecil. 

Misalkan kita membuat dongkrak hidrolik dengan luas permukaan yang besar A2 adalah 20 kali lebih besar dari pada luas permukaan yang kecil A1, maka gaya minimal (F1) yang kita butuh kan untuk mengangkat benda bermassa 1000 Kg adalah 

Dapat dilihat bahwa jika kita tidak menggunakan Hukum Pascal maka gaya minimal yang dibutuhkan untuk mengangkat benda bermassa 1000 kg adalah 10.000 N sedangkan jika kita menggunakan Hukum Pascal maka gaya yang dibutuhkan adalah 500 N.

C. Hukum Archimedes

Bunyi Hukum Archimedes : Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu fluida akan diangkat ke atas oleh sebuah gaya yang sama dengan berat fluida yang dipindahkan.

Prinsip Hukum Archimedes

Pada gambar di atas ada dua perlakukan yang dilakukan saat mengukur berat benda. Saat di ukur di udara maka berat benda adalah W(udara) = Mg. Pada perlakuan kedua berat benda diukur di dalam air, maka berat benda di dalam air akan lebih kecil dibandingkan dengan berat benda di udara. Hal ini karena saat di dalam air benda mendapatkan gaya angkat fluida atau gaya apung. Maka diperoleh berat benda di dalam air adalah

Rumus Hukum Archimedes

Sebelumnya telah kita bahas mengenai tekanan Hidrostatis, dimana tekanan ini hanya berpengaruh pada kedalaman (h) dari suatu fluida. Kedalaman di ukur dari permukaan fluida. Semakin dalam suatu benda pada fluida maka semakin besar pula tekanan fluida yang dirasakan oleh benda tersebut. Pada gambar di bawah ini terlihat bahwa tekanan fluida pada bagian atas benda lebih besar dari pada tekanan di bawah benda karena h2 > h1. Maka besarnya gaya angkat (Perhatikan gambar di atas) adalah

Ketarangan:

B adalah gaya apung atau gaya angkat (N)

Vt adalah volume benda yang tercelup (m^3)

ρf adalah massa jenis fluida (Kg/m^3)

g adalah percepatan gravitasi (m/s^2)

Dengan M adalah massa fluida yang dipindahkan. Ingat : Besarnya gaya apung (B) sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Gaya berat adalah perkalian massa dan percepatan gravitasi.

Prinsip Hukum Archimedes Untuk benda Mengapung, Melayang dan Tenggelam

Keadaan Mengapung

Suatu benda akan terapung pada suatu fluida ketika gaya berat benda lebih kecil dibandingkan dengan gaya angkat (gaya apung) fluida. Ingat Bunyi Hukum Archimedes. Suatu benda yang tercelup seluruh atau sebagian akan mendapatkan gaya apung (B) atau gaya angkat yang sama dengan besarnya berat fluida yang dipindahkan. Ketika benda melayang artinya hanya sebagian kecil Volume benda yang tercelup, sehingga volume fluida yang dipindahkan akan kecil pula.

Keterangan :

Indeks t adalah untuk benda yang tercelup

Indeks b adalah untuk menyatakan benda

Indeks f adalah untuk menyatakan fluida

Keadaan Melayang

Suatu benda kan melayang di dalam fluida ketika berat benda tersebut sama dengan gaya apung (B) fluida. Ketika suatu benda melayang, maka volume benda akan tercelup seluruhnya di dalam fluida. Artinya Volume benda sama dengan volume fluida yang dipindahkan.

Keadaan Tenggelam

Suatu benda dikatakan tenggelam ketika, gaya berat benda lebih besar dari gaya apung

Penerapan Hukum Archimedes

a. Kran Otomatis Pengendali Air

Keran otomatis merupakan salah satu contoh penerapan Hukum Archimedes dalam memudahkan pekerjaan manusia. Cara kerjanya adalah dengan menggunakan sebuah pelampung yang dibiarkan mengapung di atas air dan berfungsi sebagai indikator ketika air dalam keadaan kosong atau penuh. Kerang ini dapat bergerak naik dan turun secara otomatis. Ketika air dalam sebuah bak kosong, maka otomatis pelampung akan membuka kran sehingga air akan mengalir mengisi bak tersebut. kemudian ketika air penuh maka otomatis gaya angkat air akan membuat pelampung bergerak naik ke atas dan menutup kembali kran air ketika telah mencapai ketinggian maksimum. 

b. Kapal Selam

Kapal selam merupakan salah satu teknologi yang menggunakan prinsip Archimedes. Kapal selam di desain sedemikian rupa sehingga mampu mengatur massa jenis kapal di dalam air. Kapal selam dapat mengapung, melayang dan menyelam dengan cara menambah atau mengurangi air laut di dalam ruangan cadangan yang sehingga massa jenis kapal bisa di atur lebih besar, lebih kecil atau sama dengan massa jenis air laut. Hal inilah yang menyebabkan yang menyebabkan kapal selam dapat mengapung, melayang dan menyelam di dalam air. Kapal selam juga dilengkapi dengan sistem indikator tekanan hidrostatis air laut. Hal ini bertujuan agar kita tahu batas ke dalaman yang mampu di tempuh oleh kapal selam agar kapal selam tidak meledak akibat tekanan hidrostatis yang melebihi batas daya tahan kapal.

c. Jembatan Ponton

Salah satu Hukum Archimedes yang paling sederhana namun memberikan manfaat yang besar adalah prinsip mengapung. Jembatan Ponton adalah jembatan yang terbuat dari kumpulan derum-drum kosong yang disusun berjejer sehingga membentuk sebuah jembatan. Agar drum dapat terapung maka drum-drum tersebut haruslah dalam kondisi kosong dan tertutup rapat, agar tidak ada air yang dapat masuk ke dalam drum tersebut. Jembatan ini sangat fleksibel, artinya ketika air pasang maka jembatan ini akan ikut naik dan ketika air surut maka jembatan akan turun mengikuti tinggi permukaan air.

d. Kapal Laut

Kenapa kapal laut dibuat berongga? Tentunya agar tidak tenggelam. Pertanyaan selanjutnya kenapa bisa tidak tenggelam ? Pertanyaan ini dapat dijawab menggunakan Hukum Archimedes. Rongga tersebut bertujuan agar volume fluida atau air laut yang dipindahkan oleh badan kapal menjadi lebih besar. Sehingga gaya apung atau gaya angkat kapal oleh air laut menjadi lebih besar dibandingkan dengan gaya berat kapal. Berdasarkan hukum Archimedes besarnya gaya apung sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Semakin banyak fluida yang dipindahkan maka semakin besar pula gaya apung.

e. Balon Udara

Balon udara dapat melayang karena balon tersebut diisi oleh gas yang massa jenisnya lebih kecil dari massa jenis udara, seperti gas hidrogen dan helium. Massa jenis gas Hidrogen dan Helium lebih ringan dibandingkan dengan massa jenis udara. Suhu gas dalam balon udara dapat diatur. Ketika suhu gas dalam balon udara di perbesar maka gas-gas yang ada dalam balon tersebut akan memuai (volume membesar massa tetap. Ingat : massa jenis = massa dibagi volume) yang menyebabkan massa jenis gas akan makin kecil sehingga balon udara akan semakin naik. Setalah mencapai ketinggian yang diinginkan maka suhu gas dapat di kurangi. Kemudian ketika ingin turun, maka suhu gas di turunkan hal ini akan menyebabkan gas menyusut (volume mengecil dan massa tetap) sehingga massa jenis gas meningkat.

Kumpulan Contoh Soal Archimedes

Contoh 1 : Soal Hukum Archimedes

Sebuah benda memiliki massa jenis 0,8 g/cm^3 dan memiliki volume sebesar 20 cm^3. Jika benda tersebut dimasukkan ke dalam air maka, hitunglah berapa volume benda tersebut yang tercelup di dalam air.

Pembahasan:

Diketahui

ρ(benda) = 0,8 g/cm^3

Ingat : ρ(air) = 1 g/cm^3

Vb = 20 cm^3.

Ditanya : Tentukanlah volume benda yang tercelup?

Jawab :

Jadi, volume benda yang tercelup adalah 16 cm^3. Artinya yang volume benda yang muncul di permukaan adalah 4 cm^3.

Contoh 2 : Soal Hukum Archimedes

Sebuah balok memiliki massa jenis 0,6 g/cm^3. Jika diketahui benda ini terapung di dalam sebuah minyak yang memiliki massa jenis 0,8 g/cm dan tinggi balok yang terapung adalah 4 cm, maka hitunglah tinggi balok tersebut?

Pembahasan:

Diketahui :

ρ(balok) = 0,6 g/cm^3

ρ(minyak) = 0,8 g/cm^3

hs = 4 cm (Tinggi benda yang Terapung).

Ditanya : Hitunglah tinggi balok tersebut?

Jawab :

Di sini saya mendefinisikan hs adalah tinggi benda yang terapung (bagian benda yang tidak tercelup) dan ht adalah tinggi benda yang tercelup dan hb adalah tinggi benda total. Maka diperoleh

Jadi, tinggi benda total adalah 16 cm dan bagian yang tercelup adalah 12 cm.

Baca Juga : Contoh Soal Hukum Archimedes, Konsep dan Pembahasan

Itulah artikel tentang Fluida Statis, Tekanan Hidrostatis, Hukum Pascal, Archimedes, Rumus dan Contoh Soal. Semoga artikel ini bermanfaat untuk Anda. Jika anda menyukai artikel ini, berikan kritik dan saran Anda agar artikel ini menjadi lebih baik.

Jangan lupa klik like dan share artikel ini agar saya bisa lebih semangat lagi membuat artikel bermanfaat untuk anda semua. dan terimakasih telah berkunjung. Selamat Belajar

Share this post